各类网络协议（一）

时间 2019-12-14

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　　国际标准化组织（International Standard Organization,ISO）公布了开放系统互连参考模型（OSI/RM）。OSI/RM是一种分层的体系结构，参考模型共有7层。TCP/IP(Transmission Control Protocol/Internet Protocol)做为Internet的核心协议。它是个协议族，包含多种协议。分层的基本想法是每一层都在它的下层提供的服务基础上提供更高级的增值服务，而最高层提供能运行分布式应用程序的服务。网络

　　下面会出现网关词汇，为了防止看不懂，提早介绍：网关(Gateway)又称网间链接器、协议转换器，局域网中的机器想要访问局域网外的机器须要经过网关。默认网关在网络层上以实现网络互连，是最复杂的网络互连设备，仅用于两个高层协议不一样的网络互连。网关的结构也和路由器相似，不一样的是互连层。网关既能够用于广域网互连，也能够用于局域网互连

【说明：因为历史的缘由，许多有关TCP/IP的文献曾经把网络层使用的路由器称为网关，在今天不少局域网采用都是路由来接入网络，所以一般指的网关就是路由器的IP！】

1.网络协议分层

互联网协议按照功能不一样分为osi七层或tcp/ip五层或tcp/ip四层并发

每层运行常见物理设备app

发送请求的过程是从最顶层（应用层）出发，每一层负责封装属于本身的信息到请求中，最后将一整个请求发送给对方。
接收请求的过程是从最底层（网络接口层）开始，每一层的协议负责解析属于本身的东西，好比网际层（IP）处理ip信息，传输层（TCP）处理点对点的端口，应用层（HTTP）处理Request或Response的Line\Header\Body。tcp

1、二层设备和三层设备

二层设备：物理层-数据链路层，属于数据链路层的设备，只能识别mac地址，如网桥，二层交换机，
三层设备：物理层-数据链路层-网络层，属于网络层的设备，能识别mac地址和ip地址，如路由器，三层交换机，ip网关分布式

三层设备路由器的结构：
google

各层次的做用：

物理层：完成比特流的接受和发送
数据链路层：完成拆帧和封装帧
网络层：处理IP分组头

路由器和网桥的区别：

网桥可以在数据链路层实现不一样数据链路层协议的局域网的链接，而路由器可以实现不一样网络的互联，
（1）例若有两个B类网络，192.168.0.1和173.125.1.23，属于不一样的网络，路由器能够实现互联，而网桥不能互联
（2）例若有两个B类网络，192.168.0.1和192.168.1.1，属于同一个的网络的不一样子网，路由器能够实现互联，网桥也能够实现互联
网桥能够划分冲突域，可是不能划分广播域，由于网桥是二层识别，对于高层ip来讲是透明的，而路由器能够划分广播域，由于路由器不转发广播ip分组

ps：
冲突域：一次载波监听的范围，一个站点向另外一个站点发出信号。除目的站点外，有多少站点能收到这个信号，这些站点就构成一个冲突域；
广播域：是一次广播发生的范围，多个冲突域构成一个广播域

2、子网、局域网、网段的关系

局域网

数据链路层的概念，指二层可达的网络（也就是不须要三层设备，如路由器，也能到达的网络），通俗得讲就是小范围的网络

子网

子网是网络层的概念，和局域网没有直接的关系，是把一个ip网络划分为几个小范围的网络，可是在平时不要求精确性的时候，局域网能够对应子网，也就是说，子网也是二层可达，子网之间须要三层设备

网段

是物理层的定义，使用同一物理层设备（传输介质，中继器，集线器等）可以直接通信的那一部分
1. 使用同一物理层的设备之间必然经过相同的传输介质直接相互链接，（如交叉双绞线直接链接的两台主机），是一个网段
2. 两组其传输介质并不是直接相连的网络设备，若是它们的传输介质经过工做在物理层的扩展设备如中继器和集线器等转接链接，则仍然被视为同一物理层中的设备，是一个网段
3. 工做在数据链路层或更高层的设备如网桥、交换机、路由器等等，由它们链接起来的两组设备仍然分别处于各自独立的物理层，是两个网段

总结

在不要求精确性的状况下，子网、局域网和网段能够理解为同一个意思，可是同一个局域网/同一个子网/同一个网段和同一个网络不是同一个概念

2.网络协议各层级理解

首先，用户感知到的只是最上面一层应用层，自上而下每层都依赖于下一层，因此咱们从最下一层开始切入，比较好理解

每层都运行特定的协议，越往上越靠近用户，越往下越靠近硬件

物理层

物理层由来：上面提到，孤立的计算机之间要想一块儿玩，就必须接入internet，言外之意就是计算机之间必须完成组网

物理层功能：主要是基于电器特性发送高低电压(电信号)，高电压对应数字1，低电压对应数字0

数据链路层

数据链路层由来：单纯的电信号0和1没有任何意义，必须规定电信号多少位一组，每组什么意思

数据链路层的功能：定义了电信号的分组方式

以太网协议：

早期的时候各个公司都有本身的分组方式，后来造成了统一的标准，即以太网协议ethernet

ethernet规定

一组电信号构成一个数据包，叫作‘帧’
每一数据帧分红：报头head和数据data两部分

head

data

head包含：(固定18个字节)

发送者／源地址，6个字节
接收者／目标地址，6个字节
数据类型，6个字节

data包含：(最短46字节，最长1500字节)

数据包的具体内容

head长度＋data长度＝最短64字节，最长1518字节，超过最大限制就分片发送

mac地址：

head中包含的源和目标地址由来：ethernet规定接入internet的设备都必须具有网卡，发送端和接收端的地址即是指网卡的地址，即mac地址

mac地址：每块网卡出厂时都被烧制上一个世界惟一的mac地址，长度为48位2进制，一般由12位16进制数表示（前六位是厂商编号，后六位是流水线号）

广播：

有了mac地址，同一网络内的两台主机就能够通讯了（一台主机经过arp协议获取另一台主机的mac地址）

ethernet采用最原始的方式，广播的方式进行通讯，即计算机通讯基本靠吼

网络层

网络层由来：有了ethernet、mac地址、广播的发送方式，世界上的计算机就能够彼此通讯了，问题是世界范围的互联网是由

一个个彼此隔离的小的局域网组成的，那么若是全部的通讯都采用以太网的广播方式，那么一台机器发送的包全世界都会收到，

这就不只仅是效率低的问题了，这会是一种灾难

上图结论：必须找出一种方法来区分哪些计算机属于同一广播域，哪些不是，若是是就采用广播的方式发送，若是不是，

就采用路由的方式（向不一样广播域／子网分发数据包），mac地址是没法区分的，它只跟厂商有关

网络层功能：引入一套新的地址用来区分不一样的广播域／子网，这套地址即网络地址

IP协议：

规定网络地址的协议叫ip协议，它定义的地址称之为ip地址，普遍采用的v4版本即ipv4，它规定网络地址由32位2进制表示
范围0.0.0.0-255.255.255.255
一个ip地址一般写成四段十进制数，例：172.16.10.1

ip地址分红两部分

网络部分：标识子网
主机部分：标识主机

注意：单纯的ip地址段只是标识了ip地址的种类，从网络部分或主机部分都没法辨识一个ip所处的子网

例：172.16.10.1与172.16.10.2并不能肯定两者处于同一子网

子网掩码

所谓”子网掩码”，就是表示子网络特征的一个参数。它在形式上等同于IP地址，也是一个32位二进制数字，它的网络部分所有为1，主机部分所有为0。好比，IP地址172.16.10.1，若是已知网络部分是前24位，主机部分是后8位，那么子网络掩码就是11111111.11111111.11111111.00000000，写成十进制就是255.255.255.0。

知道”子网掩码”，咱们就能判断，任意两个IP地址是否处在同一个子网络。方法是将两个IP地址与子网掩码分别进行AND运算（两个数位都为1，运算结果为1，不然为0），而后比较结果是否相同，若是是的话，就代表它们在同一个子网络中，不然就不是。

好比，已知IP地址172.16.10.1和172.16.10.2的子网掩码都是255.255.255.0，请问它们是否在同一个子网络？二者与子网掩码分别进行AND运算，

172.16.10.1：10101100.00010000.00001010.000000001

255255.255.255.0:11111111.11111111.11111111.00000000

AND运算得网络地址结果：10101100.00010000.00001010.000000000->172.16.10.0

172.16.10.2：10101100.00010000.00001010.000000010

255255.255.255.0:11111111.11111111.11111111.00000000

AND运算得网络地址结果：10101100.00010000.00001010.000000000->172.16.10.0

结果都是172.16.10.0，所以它们在同一个子网络。

总结一下，IP协议的做用主要有两个，一个是为每一台计算机分配IP地址，另外一个是肯定哪些地址在同一个子网络。

ip数据包

ip数据包也分为head和data部分，无须为ip包定义单独的栏位，直接放入以太网包的data部分

head：长度为20到60字节

data：最长为65,515字节。

而以太网数据包的”数据”部分，最长只有1500字节。所以，若是IP数据包超过了1500字节，它就须要分割成几个以太网数据包，分开发送了。

以太网头

ip 头

ip数据

ARP协议

arp协议由来：计算机通讯基本靠吼，即广播的方式，全部上层的包到最后都要封装上以太网头，而后经过以太网协议发送，在谈及以太网协议时候，我门了解到

通讯是基于mac的广播方式实现，仅仅有IP地址是不够的，由于IP数据报文必须封装成帧才能经过物理网络发送。计算机在发包时，获取自身的mac是容易的，如何获取目标主机的mac，就须要经过arp协议

arp协议功能：广播的方式发送数据包，获取目标主机的mac地址

协议工做方式：每台主机ip都是已知的（俩主机联系前已知双方的ip地址）

例如：主机172.16.10.10/24访问172.16.10.11/24

	源mac	目标mac	源ip	目标ip	数据部分
发送端主机	发送端mac	FF:FF:FF:FF:FF:FF	172.16.10.10/24	172.16.10.11/24	数据

一：首先经过ip地址和子网掩码区分出本身所处的子网

假设主机A和B在同一个网段，主机A要向主机B发送信息。具体的地址解析过程以下
(1)主机A首先查看本身的ARP表，肯定其中是否包含有主机B对应的ARP表项。若是找到了对应的MAC地址，则主机A直接利用ARP表中的MAC地址，对IP数据包进行帧封装，并将数据包发送给主机B。
(2)若是主机A在ARP表中找不到对应的MAC地址，则将缓存该数据报文，而后以广播方式发送一个ARP请求报文。ARP请求报文中的发送端IP地址和发送端MAC地址为主机A的IP地址和MAC地址，目标IP地址和目标MAC地址为主机B的IP地址和全0的MAC地址。因为ARP请求报文以广播方式发送，该网段上的全部主机均可以接收到该请求，但只有被请求的主机（即主机B）会对该请求进行处理。
(3)主机B比较本身的IP地址和ARP请求报文中的目标IP地址，当二者相同时进行以下处理：将ARP请求报文中的发送端（即主机A）的IP地址和MAC地址存入本身的ARP表中。以后以单播方式发送ARP响应报文给主机A，其中包含了本身的MAC地址。
(4)主机A收到ARP响应报文后，将主机B的MAC地址加入到本身的ARP表中以用于后续报文的转发，同时将IP数据包进行封装后发送出去。
当主机A和主机B不在同一网段时：

主机A就会先向网关发出ARP请求，ARP请求报文中的目标IP地址为网关的IP地址。当主机A从收到的响应报文中得到网关的MAC地址后，将报文封装并发给网关。若是网关没有主机B的ARP表项，网关会广播ARP请求，目标IP地址为主机B的IP地址，当网关从收到的响应报文中得到主机B的MAC地址后，就能够将报文发给主机B；若是网关已经有主机B的ARP表项，网关直接把报文发给主机B。

应用层

应用层由来：用户使用的都是应用程序，均工做于应用层，互联网是开发的，你们均可以开发本身的应用程序，数据多种多样，必须规定好数据的组织形式

应用层功能：规定应用程序的数据格式。

例：TCP协议能够为各类各样的程序传递数据，好比Email、WWW、FTP等等。那么，必须有不一样协议规定电子邮件、网页、FTP数据的格式，这些应用程序协议就构成了”应用层”。

2、网络通讯的实现

想实现网络通讯，每台主机需具有四要素

本机的IP地址
子网掩码
网关的IP地址
DNS的IP地址

获取这四要素分两种方式

1.静态获取

即手动配置

2.动态获取

经过dhcp获取

以太网头

ip头

udp头

dhcp数据包

（1）最前面的”以太网标头”，设置发出方（本机）的MAC地址和接收方（DHCP服务器）的MAC地址。前者就是本机网卡的MAC地址，后者这时不知道，就填入一个广播地址：FF-FF-FF-FF-FF-FF。

（2）后面的”IP标头”，设置发出方的IP地址和接收方的IP地址。这时，对于这二者，本机都不知道。因而，发出方的IP地址就设为0.0.0.0，接收方的IP地址设为255.255.255.255。

（3）最后的”UDP标头”，设置发出方的端口和接收方的端口。这一部分是DHCP协议规定好的，发出方是68端口，接收方是67端口。

这个数据包构造完成后，就能够发出了。以太网是广播发送，同一个子网络的每台计算机都收到了这个包。由于接收方的MAC地址是FF-FF-FF-FF-FF-FF，看不出是发给谁的，因此每台收到这个包的计算机，还必须分析这个包的IP地址，才能肯定是否是发给本身的。当看到发出方IP地址是0.0.0.0，接收方是255.255.255.255，因而DHCP服务器知道”这个包是发给个人”，而其余计算机就能够丢弃这个包。

接下来，DHCP服务器读出这个包的数据内容，分配好IP地址，发送回去一个”DHCP响应”数据包。这个响应包的结构也是相似的，以太网标头的MAC地址是双方的网卡地址，IP标头的IP地址是DHCP服务器的IP地址（发出方）和255.255.255.255（接收方），UDP标头的端口是67（发出方）和68（接收方），分配给请求端的IP地址和本网络的具体参数则包含在Data部分。

新加入的计算机收到这个响应包，因而就知道了本身的IP地址、子网掩码、网关地址、DNS服务器等等参数

3、网络通讯流程

1.本机获取

本机的IP地址：192.168.1.100
子网掩码：255.255.255.0
网关的IP地址：192.168.1.1
DNS的IP地址：8.8.8.8

2.打开浏览器，想要访问Google，在地址栏输入了网址：www.google.com。

3.dns协议(基于udp协议)

13台根dns：

A.root-servers.net198.41.0.4美国
B.root-servers.net192.228.79.201美国（另支持IPv6）
C.root-servers.net192.33.4.12法国
D.root-servers.net128.8.10.90美国
E.root-servers.net192.203.230.10美国
F.root-servers.net192.5.5.241美国（另支持IPv6）
G.root-servers.net192.112.36.4美国
H.root-servers.net128.63.2.53美国（另支持IPv6）
I.root-servers.net192.36.148.17瑞典
J.root-servers.net192.58.128.30美国
K.root-servers.net193.0.14.129英国（另支持IPv6）
L.root-servers.net198.32.64.12美国
M.root-servers.net202.12.27.33日本（另支持IPv6）

域名定义：http://jingyan.baidu.com/article/1974b289a649daf4b1f774cb.html

顶级域名：以.com,.net,.org,.cn等等属于国际顶级域名，根据目前的国际互联网域名体系，国际顶级域名分为两类：类别顶级域名(gTLD)和地理顶级域名(ccTLD)两种。类别顶级域名是以"COM"、"NET"、"ORG"、"BIZ"、"INFO"等结尾的域名，均由国外公司负责管理。地理顶级域名是以国家或地区代码为结尾的域名，如"CN"表明中国，"UK"表明英国。地理顶级域名通常由各个国家或地区负责管理。

二级域名：二级域名是以顶级域名为基础的地理域名，比喻中国的二级域有，.com.cn,.net.cn,.org.cn,.gd.cn等.子域名是其父域名的子域名，比喻父域名是abc.com,子域名就是www.abc.com或者*.abc.com.
通常来讲，二级域名是域名的一条记录，好比alidiedie.com是一个域名，www.alidiedie.com是其中比较经常使用的记录，通常默认是用这个，可是相似*.alidiedie.com的域名所有称做是alidiedie.com的二级

4.HTTP部分的内容，相似于下面这样：

GET / HTTP/1.1
Host: www.google.com
Connection: keep-alive
User-Agent: Mozilla/5.0 (Windows NT 6.1) ……
Accept: text/html,application/xhtml+xml,application/xml;q=0.9,*/*;q=0.8
Accept-Encoding: gzip,deflate,sdch
Accept-Language: zh-CN,zh;q=0.8
Accept-Charset: GBK,utf-8;q=0.7,*;q=0.3
Cookie: … …

咱们假定这个部分的长度为4960字节，它会被嵌在TCP数据包之中。

5 TCP协议

TCP数据包须要设置端口，接收方（Google）的HTTP端口默认是80，发送方（本机）的端口是一个随机生成的1024-65535之间的整数，假定为51775。

TCP数据包的标头长度为20字节，加上嵌入HTTP的数据包，总长度变为4980字节。

6 IP协议

而后，TCP数据包再嵌入IP数据包。IP数据包须要设置双方的IP地址，这是已知的，发送方是192.168.1.100（本机），接收方是172.194.72.105（Google）。

IP数据包的标头长度为20字节，加上嵌入的TCP数据包，总长度变为5000字节。

7 以太网协议

最后，IP数据包嵌入以太网数据包。以太网数据包须要设置双方的MAC地址，发送方为本机的网卡MAC地址，接收方为网关192.168.1.1的MAC地址（经过ARP协议获得）。

以太网数据包的数据部分，最大长度为1500字节，而如今的IP数据包长度为5000字节。所以，IP数据包必须分割成四个包。由于每一个包都有本身的IP标头（20字节），因此四个包的IP数据包的长度分别为1500、1500、1500、560。

8 服务器端响应

通过多个网关的转发，Google的服务器172.194.72.105，收到了这四个以太网数据包。

根据IP标头的序号，Google将四个包拼起来，取出完整的TCP数据包，而后读出里面的”HTTP请求”，接着作出”HTTP响应”，再用TCP协议发回来。

本机收到HTTP响应之后，就能够将网页显示出来，完成一次网络通讯。

本文转自https://www.cnblogs.com/linhaifeng/articles/5937962.html